4D-Druck mit Verbundwerkstoffen ermöglicht Herstellung von flexiblem Flügelkonzept

Die Luftfahrtindustrie steht unter dem Druck immer höherer Treibstoffkosten und einer zunehmenden Kontrolle der Auswirkungen ihrer Flugzeuge auf die Umwelt und die Lebensqualität. Forscher suchen nach neuen Methoden, um die Kosten niedrig zu halten und gleichzeitig die Gesamteffizienz zu verbessern, und der relativ neue Markt der unbemannten Luftfahrzeuge (UAVs) – oder Drohnen – bildet hier keine Ausnahme.

UAVs nehmen in Luftfahrtkreisen einen immer größeren Raum ein. In einer neuen Arbeit, die in der Zeitschrift Composite Structures veröffentlicht wurde, stellen Suong Hoa und seine studentischen Koautoren eine Methode vor, mit der Drohnenflügel billiger in der Herstellung und effizienter im Flug sind.

Hoa ist Professor für Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen und Luft- und Raumfahrttechnik an der Gina Cody School of Engineering and Computer Science. Mit Hilfe einer von Hoa entwickelten Technik, dem so genannten 4D-Druck von Verbundwerkstoffen, führten die Autoren eine Machbarkeitsstudie über die Anwendung einer neuen Methode zur Herstellung von Morphing-Flügeln mit adaptiver nachgiebiger Hinterkante (ACTE) durch. Die experimentelle Technologie ersetzt die üblicherweise verwendete Flügelklappe mit Scharnieren durch eine Klappe, die am Hauptflügel befestigt ist, sich aber um bis zu 20 Grad biegen kann.

“Unsere Arbeit zeigt, dass eine Drohne mit dieser Art von Flügeln eine gute Last für kleine oder mittelgroße Fahrzeuge tragen kann”, sagt Hoa, Direktor des Concordia Centre for Composites.

Materialreaktionen nutzen

Der 4D-Druck ähnelt dem 3D-Druck, mit dem Unterschied, dass das Material von Ort zu Ort gewechselt wird. Das jeweilige Material wird verwendet, weil es auf einen bestimmten Reiz reagiert, z. B. auf Wasser, Kälte oder Hitze. Der erste Druck erfolgt auf einer flachen Oberfläche, die dann dem Reiz ausgesetzt wird, wodurch eine Reaktion ausgelöst und die Oberflächenform verändert wird. Die vierte Dimension bezieht sich auf die veränderte Konfiguration des einst flachen Materials.

Der 4D-Druck von Verbundwerkstoffen ist komplexer. Statt einer weichen, teigartigen Substanz, wie sie bei 3D- und 4D-Druckern üblich ist, wird eine sehnige Kombination langer, feiner Filamente verwendet, die von einem Harz zusammengehalten werden. Jedes Filament ist nur 10 Mikrometer dick – etwa ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Der 4D-Verbundstoffdrucker rollt sein Filament-Harz-Gemisch in hauchdünnen Schichten im 90-Grad-Winkel zueinander ab. Die Schichten werden dann verdichtet und in einem Ofen bei 180 °C ausgehärtet und anschließend auf 0 °C abgekühlt, so dass ein Objekt entsteht, das steif, aber nicht spröde ist.

Wie die Autoren in ihrer Arbeit erläutern, können sie auf diese Weise einen gleichmäßig gekrümmten Materialabschnitt herstellen, der zwischen der Ober- und Unterseite der Flügelklappe eingefügt wird. Es ist flexibel und stark genug, um die für die Flugmanövrierfähigkeit erforderliche Verformung des Flügels um 20 Grad zu unterstützen.

“Die Idee ist, einen Flügel zu haben, der seine Form während des Fluges leicht ändern kann, was ein großer Vorteil gegenüber Starrflüglern wäre”, erklärt Hoa.

Er glaubt, dass die 4D-Verbundstofftechnologie ein großes Potenzial für alle möglichen Anwendungen hat. Die Transportfähigkeit der Produkte ist seiner Meinung nach ein großer Vorteil.

“Da sie flach sind, kann man sie leicht verpacken und in entlegene Gebiete schicken, vom hohen Norden Kanadas bis zum Weltraum”, sagt Hoa.

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